Fotonika i technologie terahercowe

Czy teraherce są bezpieczne?

Czy teraherce są bezpieczne? Tego oczywiście na razie do końca nie wiadomo. Konieczne są liczne testy rozłożone w czasie. Na pewno nie posiadają zdolności jonizacyjnych przy tak niskich wartościach energii fotonu. Na pewno posiadają właściwości termiczne szczególnie dla większych natężeń. Bada się obecnie ich mechanizmy oddziaływania z strukturami wewnątrzkomórkowymi takimi jak jądro, RNA, DNA, poszczególne rodzaje wiązań w związkach białkowych i tłuszczach. Bada się także łączne efekty pobudzenia optycznego i THz. Modelowane są interakcje fali THz z helisą DNA. Poszukiwane są możliwości oddziaływań nieliniowych, rezonansowych, które potencjalnie mogłyby prowadzić do zjawisk rozplatania helisy. Bada się modele generacji bąbli w helisie blokujących replikację DNA i ekspresję genową. Jak do tej pory brak jest silnych potwierdzeń eksperymentalnych wymienionych zjawisk.

Zastosowania teraherców

Zastosowania THz w systemach bezpieczeństwa wykorzystują kilka podstawowych mechanizmów oddziaływania tych fal z materią. Bardzo rozbudowane i ściśle indywidualne sygnatury spektralne niektórych związków chemicznych powalają na ich zdalną identyfikację. Takie związki obejmują np. niektóre trucizny, wiele materiałów organicznych, tworzywa sztuczne, plastykowe materiały wybuchowe, gazy, kosmetyki zapachowe i wiele innych. Teraherce umożliwiają ‘widzenie’ przez dielektryczne ściany, np. ceglane. Mogą być wykorzystywane do obrazowania scen za niektórymi rodzajami przeszkód. Budowane są terahercowe radary krótkiego zasięgu np. do penetracji suchej ziemi, piasku, niektórych rodzajów skał. Radary terahercowe mogą być aktywne i bierne. Tomografia terahercowa może służyć do prześwietlania tworzyw sztucznych, tworzenia obrazów 3D takich materiałów oraz badania ich struktury wewnętrznej.

Zastosowania THz w diagnostyce medycznej dotyczy szczególnie badań nowotworowych skóry i nabłonka, a więc tkanek powierzchniowych. Przewiduje się zastosowania śród-operacyjne np. do diagnostyki komórkowej, szybkiej detekcji mutacji sekwencji DNA, obrazowanie fragmentów powierzchni ciała. W stomatologii testowane są rozwiązania terahercowego „rentgena”, nie obciążającego pacjenta i lekarza, a służącego do prześwietlania zębów z rozdzielczością submilimetrową.

Zastosowania THz w badaniach nieniszczących dotyczą takich materiałów konstrukcyjnych używanych w budownictwie mieszkaniowym, a także w budowie pojazdów, łodzi, samolotów i innych przedmiotów, np., nart jak tworzywa sztuczne, ceramika, drewno, laminaty, materiały kompozytowe, metamateriały, itp.

Zastosowania THz w inżynierii chemicznej dotyczą głównie chemii organicznej i biochemii. Możliwe jest rozróżnianie długich molekuł organicznych i stanu ich przemian np. stopnia monomeryzacji i polimeryzacji. Badane są możliwości śledzenia niektórych reakcji chemicznych. W przypadku polimorfizmu w materiale THz umożliwiają rozróżnianie substancji izomorficznych. Bada się możliwości rozróżniania stanu substancji trudnego lub niemożliwego do rozróżnienia innymi metodami np. chemicznymi: krystaliczny, amorficzny, hydratyzowany, rozpuszczony, ciekłokrystaliczny. Jako przykład unikalności zakresu fal THz w detekcji substancji polimorficznych podaje się sulfathlazol. Posiada on aż pięć form polimorficznych, bardzo trudnych do rozróżnienia klasycznymi metodami chemicznymi. Spektroskopia THz w paśmie k = 20…90 cm-1 ujawnia natychmiast i z łatwością wszystkie te formy. Różnice w spektrum terahercowym odmian sulfatiazolu są rzędu 10 cm-1 a więc łatwe do detekcji. Podobna sytuacja występuje w przypadku wielu substancji do syntezy tworzyw sztucznych, materiałów kompozytowych, pokryć warstwowych, farb, kosmetyków, lekarstw.

Zastosowania THz w przemyśle farmaceutycznym związane są z technologiami wytwarzania i testowania tzw. lekarstw inteligentnych. Wykorzystywana jest odbiciowa i transmisyjna spektroskopia terahercowa a także obrazowanie tomograficzne 3D. Inteligentne lekarstwa, np. w postaci pigułek, posiadają złożoną strukturę wewnętrzną, np. wielowarstwowe pokrycia uwalniające lek w odpowiednich częściach przewodu pokarmowego. Przy pomocy spektroskopii i obrazowania THz badana jest np. integralność pokryć wielowarstwowych.

Zastosowania THz w przemyśle półprzewodnikowym dotyczą badania zanieczyszczeń materiałów, pomiarów i obrazowania koncentracji nośników, poziomów domieszkowania, ruchliwości nośników. Możliwe jest, zupełnie odmienne od klasycznego, mapowanie parametrów waferów.

Zastosowania THz w mikroskopii i spektroskopii otwierają nowe metody obrazowania. Mikroskopia w zakresie THz jest naturalnym zastosowaniem tej techniki analogicznym do technik optycznych i w zakresie IR. W paśmie THz ujawniają się inne faktury obserwowanego obiektu. THz budzą nadzieję w zastosowaniach do mikroskopii i spektroskopii bliskiego pola zanikającego obiektów biologicznych tzw. technika EWS. Budowane są i testowane spektroskopy THz w dziedzinie czasu TDS i częstotliwości FDS. Prowadzone są testowa badania materiałów w silnych polach magnetycznych ze względu na to, że częstotliwość Larmora mieści się w paśmie THz.

Zastosowanie THz w telekomunikacji może dotyczyć np. wolnej przestrzeni na krótkie zasięgi, a na dalekie zasięgi w przestrzeni kosmicznej. W ultra-szerokopasmowych systemach transmisyjnych otwartych optycznych i kablowych światłowodowych sygnał terahercowy moduluje nośną falę optyczną. Do detekcji fali w odbiorniku oraz do modulacji w nadajniku stosowane są lokalne oscylatory terahercowe. 

Astronomia terahercowa (nazywana raczej submilimetrową) naziemna jak i satelitarna jest dziedziną intensywnie rozwijaną. Obejmuje techniki radioteleskopowe i interferometryczne. Dotyczy obserwacji obiektów o temperaturze 10–20 K. Największe teleskopy pracujące w tym paśmie częstotliwości to obserwatorium Uniwersytetu CalTech Mauna Kea Sub-mm, Teleskop James Clerk Maxwell, obserwatorium Sub-millimetre Array SMA oraz najnowsze z nich i największe ALMA – Atakama Large Millimetre Array. Kilka z satelitów obserwacyjnych posiada urządzenia THz. Pierwszym był satelita NASA SWAS – Submillimetre Wave Astronomy Satellite obserwujący w paśmie 0,5 THz. Obecnie obserwacje prowadzi także w paśmie THz satelita ESA Herschel Space Observatory.

Fotonika klasyczna i fotonika terahercowa

Słowo fotonika, jako nazwa dziedziny nauki i techniki funkcjonuje szerzej w literaturze światowej od ponad 20 lat. Jako pierwsze zostało wprowadzone do obiegu przez czasopismo techniczne o zasięgu światowym Photonics Spectra (przemianowane z Optical Spectra). Obecnie funkcjonuje jako synonim, integrator takich dziedzin jak optyka i optoelektronika, technika laserowa, telekomunikacja światłowodowa i innych.

Rozwój technik fotoniki, obserwowany w ostatnich dwóch dekadach, zaowocował niezwykle szeroką gamą rozwiązań technicznych, które wywierają ogromny, choć często nieuświadomiony, wpływ na nasze codzienne życie. Tak jak elektronikę uważa się za technologię XX wieku, fotonika wydaje się być technologią wieku XXI. Materiały o kontrolowanych właściwościach optycznych są szeroko wykorzystywane w nauce, technice, przemyśle i medycynie, stanowią również fundament współczesnych systemów telekomunikacyjnych i informatycznych, łącząc w sobie zalety ogromnych pojemności informacyjnych oraz szybkości przesyłania i przetwarzania informacji.

Obszar badań szeroko rozumianej fotoniki systematycznie się poszerza wkraczając w kolejne dziedziny, odległe od klasycznie pojmowanych technik fotonicznych – można tu wskazać układy tzw. fotoniki scalonej, będące odpowiednikiem układów elektroniki scalonej, układy równoległego przetwarzania informacji, kryptografii kwantowej i wiele innych. 

Fotonika jest dziedziną nauki i techniki której przedmiotem badań i aplikacji jest foton fali elektromagnetycznej, jego ruch i oddziaływanie z materią. Długość fali fotonu jest z zakresu od ultrafioletu do dalekiej podczerwieni, to znaczy w przybliżeniu od 0,1…30 μm (3 PHz–10 THz). Fotonikę „optyczną” i podczerwoną uzupełniamy pasmem terahercowym, które umownie przyjmujemy w zakresie ok. 0,1…10 THz. Fotonika terahercowa to długości fal ok. 3 mm–30 μm. Pasmo spektralne w okolicach 10 μm często nazywane jest pasmem termicznym, gdyż w tym obszarze występuje maksimum promieniowania ciała doskonale czarnego. Całkowity obszar spektralny fotoniki od tzw. pasma THz do pasma UV obejmuje bardzo szeroki zakres częstotliwości 1011…1015 Hz, a więc cztery dekady. Energia fotonów fali w tym zakresie zawiera się od ok. 1 meV do 10eV. Oddziaływanie fotonów z materią o tak szerokim zakresie energii jest zasadniczo różne. Generacja i detekcja fotonów o tak szerokim zakresie energii jest również zasadniczo różna dla różnych długości fali fotonu. Dalej pod pojęciem fotonika będziemy rozumieli zakres długości fal (a więc również częstotliwości i energii fotonu) określony powyżej. W zależności od konkretnego pasma będzie mowa o fotonice UV (0,1…04 μm), pasma widzialnego (0,4…0,7 μm), bliskiej podczerwieni (0,7–2μm), średniej podczerwieni (2…15 μm), dalekiej podczerwieni (15…30 μm), oraz terahercowej (30 μm – 3 mm).

We współczesnej fotonice wyróżniamy szereg głównych dziedzin – obszarów badań. Obszary te związane są z poszczególnymi technologiami wytwarzania elementów, rodzajami materiałów, rodzajami nośników fali, grupami elementów fotonicznych, sposobami działania urządzeń i systemów, bądź aplikacjami.

Fotonika światłowodowa dotyczy światłowodów włóknowych i obejmuje kilka dziedzin jak: technologia światłowodów szklanych i polimerowych, telekomunikację światłowodową, światłowody nietelekomunikacyjne – instrumentacyjne, czujniki światłowodowe, elementy światłowodowe, przetwarzanie sygnałów w światłowodach, elementy bezpośrednio współpracujące ze światłowodami, złożone układy światłowodowe, itp.

Fotonika zintegrowana dotyczy funkcjonalnych układów fotonicznych zrealizowanych w technologii planarnej o wysokiej skali integracji. Podłożem jest dielektryk, półprzewodnik lub podłoże jest hybrydowe. Funkcje wypełniane przez zintegrowane planarne układy fotoniczne są analogiczne do funkcji układów elektronicznych VLSI z uwzględnieniem jednak znacznej odmienności właściwości fali świetlnej od prądu elektrycznego. Ta odmienność to przede wszystkim brak możliwości magazynowania światła w kondensatorze optycznym, ograniczona możliwość spowolnienia biegu światła (w materiale od bardzo dużej refrakcji, np. generowanej dynamicznie), trudności w dowolnej zmianie kierunku biegu wiązki światła, itp. Ważną różnicą jest możliwość wykonywania operacji matematycznych (np. transformaty Fouriera) na wiązce światła niosącej w sposób równoległy informację obrazową.

Fotonika laserowa i wiązek światła dotyczy badań i zastosowań dyskretnych laserów oraz wiązek fotonów w otwartej przestrzeni. Lasery stanowią źródła fali dla samodzielnych zastosowań oraz dla innych urządzeń fotonicznych. Fotonika laserowa obejmuje rozwój i zastosowania laserów i wiązek fotonów. Specyficzne zastosowania obejmują: obróbkę materiałów, mikroobróbkę precyzyjną, radar laserowy, teledetekcję przy pomocy wiązki laserowej, dalmierze laserowe, laserowa detekcja obecności obiektów ruchomych, zastosowania terapeutyczne i diagnostyczne wiązki światła laserowego, itp.

Fotonika półprzewodnikowa dotyczy fotonicznych i optoelektronicznych elementów wykonanych z półprzewodników. Na ogół 136 Elektronika 11/2011 są to elementy dyskretne jak diody elektroluminescencyjne, super-elektroluminescencyjne, lasery półprzewodnikowe, fotodiody, regulowane tłumiki optyczne, inne fotoniczne elementy funkcjonalne, źródła THz, itp.

Fotonika instrumentalna dotyczy budowy, często dyskretnych funkcjonalnych elementów optyczno–fotoniczno–optoelektronicznych, a także elektrycznych i mechanicznych posiadających np. zastosowania czujnikowe lub inne zastosowania związane z przetwarzaniem sygnałów, telemetrią, budową sieci optycznych, itp. Przykładami takich elementów, urządzeń i systemów są np. optoelektroniczne układy typu lab-on-a-chip, lab on an optical capillary, (laboratorium zintegrowane w światłowodzie kapilarnym), także układy typu MOEMS, gdzie integracji podlega system elektryczny, mechaniczny, elektryczny i fotoniczny. Dziedzina fotoniki instrumentalnej jest oczywiście ściśle powiązana z fotoniką zintegrowaną, światłowodową i półprzewodnikową.

Fotowoltaika dotyczy kompleksu zagadnień generacji prądu elektrycznego z promieniowania słonecznego przy wykorzystaniu zjawiska fotowoltaicznego. Fotowoltaika jest intensywnie rozwijana z powodów ekologicznych mimo stosunkowo wysokich kosztów. Pod względem technologicznym fotowoltaika dotyczy produkcji jak najtańszych ogniw fotowoltaicznych: krzemowych monokrystalicznych, polikrystalicznych, drukowanych na szkle, organicznych – polimerowych, itp. Fotowoltaika należy do grupy technik wytwarzania energii elektrycznej ze źródła odnawialnego, jakim jest energia promieniowania słonecznego.

Fotonika obrazowa dotyczy wszelkich technik generacji, transmisji, przetwarzania, akwizycji, prezentacji, itp. obrazów rzeczywistych i sztucznych. Jest to dziedzina rozwijająca się bardzo dynamicznie i obejmująca coraz to nowe techniki obrazowania. Można tutaj wymienić:

• techniczne podłoże metod obrazowania jak matryce LCD i plazmowe, matryce OLED, CRT,
• obrazowanie optyczne, rentgenowskie, tomograficzne, magnetyczne, PET, ultradźwiękowe, holograficzne, laserowe skanery obrazujące, terahercowe,
• metody i algorytmy prezentacji i przetwarzania obrazów, grafika komputerowa,
• zastosowania w biometrii, identyfikacji obiektów, 2D i 3D, przemysłowe, wojskowe, systemach M2M i uczenia maszynowego.

Fotonika terahercowa jest dziedziną relatywnie nową. Ze względu na szeroki zakres częstotliwości nie jest dziedziną fizycznie i technicznie jednorodną. Fotonika klasyczna obejmuje umownie obszar długości fali ok. 0,3…3 μm (jedną dekadę zmian), podczas gdy fotonika terahercowa ok. 3 mm-30 μm (2 dekady zmian). Obszar pośredni jest nazywany daleką podczerwienią i może być zaliczony zarówno do fotoniki klasycznej jak i do fotoniki terahercowej. Od strony małych częstotliwości fotonika terahercowa jest pokrewna technice mikrofalowej. Od strony dużych częstotliwości posiada właściwości promieniowania termicznego. Wraz z rozwojem technologii źródeł i detektorów fali z zakresu od pojedynczych do kilkudziesięciu THz, fotonika terahercowa może ulec integracji z fotoniką klasyczną.